僅重幾千克的實(shí)驗(yàn)裝置，成功捕捉到幽靈粒子

中微子是一種不帶電的基本粒子，常被稱為“幽靈”粒子，這是因?yàn)樗c其他物質(zhì)的相互作用非常微弱，因此極難被探測(cè)到。

大多數(shù)中微子實(shí)驗(yàn)通常通過捕捉中微子與電子、質(zhì)子或中子碰撞時(shí)產(chǎn)生的微弱閃光信號(hào)來捕捉這些神秘的粒子。但由于這些碰撞極其罕見，因此傳統(tǒng)的用于捕捉中微子的探測(cè)器都體積龐大、質(zhì)量高達(dá)幾噸乃至上千噸，這樣才能提供足夠的靶材料來提升探測(cè)幾率。

在一項(xiàng)新的研究中，物理學(xué)家利用一個(gè)僅重幾千克的裝置（比標(biāo)準(zhǔn)中微子探測(cè)器低幾個(gè)數(shù)量級(jí)），成功捕捉到了來自核反應(yīng)堆的中微子。物理學(xué)家希望新的測(cè)量能夠用來檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型（描述基本粒子以及它們之間相互作用的理論框架）的預(yù)測(cè)，甚至可能揭示超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被命名為CONUS+，研究成果已于近日發(fā)表在《自然》雜志上。

相干散射機(jī)制

1974年，物理學(xué)家預(yù)測(cè)，當(dāng)中微子與原子核發(fā)生微小的動(dòng)量交換時(shí)，有可能與整個(gè)原子核中的所有核子（質(zhì)子和中子）發(fā)生“相干散射”。

在這種“中微子-原子核相干散射”（CEνNS）中，中微子把整個(gè)原子核當(dāng)作一個(gè)整體來看待。這種相干散射的反應(yīng)率大致正比于靶核中中子數(shù)的平方。因此，如果一個(gè)原子核有很多中子，那么中微子發(fā)生散射的幾率會(huì)高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，利用這一機(jī)制，原則上可以將探測(cè)器做得很小，甚至只重達(dá)幾千克。

雖然中微子通過相干散射更容易被探測(cè)到，但它們?cè)谂鲎仓嗅尫诺哪芰糠浅５停瑢?dǎo)致信號(hào)極其微弱。就像一顆乒乓球撞上輪船，理論上有反沖，但實(shí)際上幾乎無法察覺。正因?yàn)槿绱耍m然CEνNS機(jī)制早在1974年就被理論預(yù)測(cè)，但過去幾十年來都難以測(cè)量這種反沖信號(hào)。

直到43年后，也就是2017年，COHERENT實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在碘化銫（CsI）晶體中成功探測(cè)到CEνNS。隨后，COHERENT實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)又使用氬（Ar）和鍺（Ge）作為靶材料，進(jìn)一步驗(yàn)證了最初的相干散射觀測(cè)結(jié)果。

加速器與反應(yīng)堆

在COHERENT實(shí)驗(yàn)中，中微子來自“散裂中子源”（SNS）。這些由加速器產(chǎn)生的中微子能量較高，這就為CEνNS研究帶來一個(gè)挑戰(zhàn)：這些中微子無法與原子核以“完全相干”的方式相互作用。

相比之下，來自核反應(yīng)堆的中微子能量更低。因此，使用核反應(yīng)堆作為中微子來源，可為CEνNS研究提供一種新的實(shí)驗(yàn)路徑。擁有這種“低能量”特性的反應(yīng)堆中微子，能在測(cè)試某些“超出標(biāo)準(zhǔn)模型”的理論參數(shù)方面具有更高的靈敏度。然而，捕捉反應(yīng)堆中微子是一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)的任務(wù)。

在新的研究中，來自“中微子-原子核相干散射”（CONUS）合作組的研究人員，報(bào)道了由CONUS+實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的中微子事件，其中的中微子能量是目前所有已探測(cè)中微子中最低的。

小探測(cè)器實(shí)現(xiàn)大科學(xué)

CONUS探測(cè)器由4個(gè)高純鍺晶體模塊組成，每個(gè)模塊重約1千克。CONUS實(shí)驗(yàn)最初于2018年設(shè)立在德國布羅克多夫的一座核電站，直到反應(yīng)堆關(guān)閉，目前已遷至瑞士萊布施塔特的核電站，并升級(jí)為“CONUS+”。

CONUS+實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器體積小巧，距離反應(yīng)堆堆芯僅20.7米，在這個(gè)位置，每秒每平方厘米就有超過10萬億個(gè)中微子穿過，非常適合高通量探測(cè)。（圖/MPIK）

CONUS+實(shí)驗(yàn)旨在利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反中微子來探測(cè)CEνNS（中微子和反中微子都可以發(fā)生CEνNS）。由于核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的反中微子能量低于10兆電子伏，因此預(yù)期能引發(fā)“完全相干”的散射事件。

研究人員分析了2023年11月至2024年7月間的CONUS+數(shù)據(jù)，報(bào)告觀測(cè)到395±106個(gè)類似CEνNS的事件，而標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的事件為347±59個(gè)。這一結(jié)果與理論預(yù)測(cè)高度吻合，并在測(cè)量誤差范圍內(nèi)，達(dá)到了3.7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（3.7σ）的統(tǒng)計(jì)顯著性。

接下來，研究人員的目標(biāo)是進(jìn)一步提高測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)顯著性。在高能物理中，通常需要至少達(dá)到 5σ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果才會(huì)被視為確鑿無疑。

應(yīng)用前景

研究人員表示，相干散射技術(shù)不太可能完全取代現(xiàn)有中微子探測(cè)技術(shù)，但其優(yōu)勢(shì)在于能夠在低能區(qū)探測(cè)所有三種已知中微子類型及其反粒子，而其他方法往往只能探測(cè)其中一種。這種能力將使其成為未來大型高能中微子觀測(cè)計(jì)劃的有力補(bǔ)充。

隨著未來實(shí)驗(yàn)精度的不斷提升，物理學(xué)家甚至有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)一些基礎(chǔ)性的重大發(fā)現(xiàn)。因此，CONUS+的實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合其他的測(cè)量，有可能標(biāo)志著中微子物理研究邁入一個(gè)新時(shí)代的起點(diǎn)。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09322-2

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02134-4

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02404-1

https://www.eurekalert.org/news-releases/1092670

#圖片來源：

封面圖&首圖：Susan Wilkinson / Unsplash